ArDM - ArDM
Das ArDM- Experiment ( Argon Dark Matter ) ist ein Teilchenphysik- Experiment, das auf einem Flüssig- Argon- Detektor basiert und darauf abzielt, Signale von WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) zu messen , die wahrscheinlich die Dunkle Materie im Universum bilden. Die elastische Streuung von WIMPs aus Argonkernen kann gemessen werden, indem freie Elektronen aus der Ionisation und Photonen aus der Szintillation beobachtet werden , die durch den Rückstoß des Kerns erzeugt werden, der mit benachbarten Atomen interagiert. Die Ionisations- und Szintillationssignale können mit speziellen Auslesetechniken gemessen werden, die einen wesentlichen Teil des Detektors bilden.
Um eine ausreichend hohe Zielmasse zu erhalten, wird das Edelgas Argon in der flüssigen Phase als Zielmaterial verwendet. Da der Siedepunkt von Argon bei Normaldruck bei 87 K liegt, erfordert der Betrieb des Detektors ein kryogenes System .
Experimentelle Ziele
Der ArDM-Detektor zielt darauf ab, Signale von WIMPs durch elastische Streuung von Argonkernen direkt zu erfassen. Während der Streuung wird eine bestimmte Rückstoßenergie - typischerweise zwischen 1 keV und 100 keV - vom WIMP auf den Argonkern übertragen.
Es ist nicht bekannt, wie häufig ein Signal von der WIMP-Argon-Wechselwirkung erwartet werden kann. Diese Rate hängt vom zugrunde liegenden Modell ab, das die Eigenschaften des WIMP beschreibt. Einer der beliebtesten Kandidaten für ein WIMP ist das Lightest Supersymmetric Particle (LSP) oder Neutralino aus supersymmetrischen Theorien . Sein Querschnitt mit Nukleonen liegt vermutlich zwischen 10 –12 pb und 10 –6 pb, was WIMP-Nukleonen-Wechselwirkungen zu einem seltenen Ereignis macht. Die Gesamtereignisrate kann durch Optimieren der Zieleigenschaften erhöht werden, z. B. durch Erhöhen der Zielmasse. Der ArDM-Detektor soll ungefähr eine Tonne flüssiges Argon enthalten. Diese Zielmasse entspricht einer Ereignisrate von ungefähr 100 Ereignissen pro Tag bei einem Querschnitt von 10 –6 pb oder 0,01 Ereignissen pro Tag bei 10 –10 pb.
Kleine Ereignisraten erfordern eine starke Hintergrundablehnung. Ein wichtiger Hintergrund ist das Vorhandensein des instabilen 39- Ar-Isotops in natürlichem Argon, das aus der Atmosphäre verflüssigt wurde. 39 Ar unterliegt einem Beta-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 269 Jahren und einem Endpunkt des Beta-Spektrums bei 565 keV. Das Verhältnis von Ionisation zu Szintillation aufgrund von Elektronen- und Gamma-Wechselwirkungen unterscheidet sich von der WIMP-Streuung. Der 39- Ar-Hintergrund ist daher mit einer genauen Bestimmung des Ionisations / Szintillations-Verhältnisses gut unterscheidbar. Als Alternative wird die Verwendung von abgereichertem Argon aus unterirdischen Brunnen in Betracht gezogen.
Neutronen, die von Detektorkomponenten und von Materialien, die den Detektor umgeben, emittiert werden, interagieren mit Argon auf die gleiche Weise wie WIMPs. Der Neutronenhintergrund ist daher nahezu nicht zu unterscheiden und muss so gut wie möglich reduziert werden, beispielsweise durch sorgfältige Auswahl der Detektormaterialien. Weiterhin ist eine Schätzung oder Messung des verbleibenden Neutronenflusses erforderlich.
Der Detektor soll unterirdisch betrieben werden, um durch kosmische Strahlung verursachte Hintergründe zu vermeiden .
Baustatus
Der ArDM-Detektor wurde 2006 am CERN zusammengebaut und getestet . Oberirdische Studien der Ausrüstung und der Detektorleistung wurden durchgeführt, bevor er 2012 im Canfranc Underground Laboratory in Spanien unterirdisch verlegt wurde. Es wurde gefüllt, in Betrieb genommen und bei Raumtemperatur getestet. Während des unterirdischen Laufs im April 2013 wurde die Lichtausbeute im Vergleich zu den Oberflächenbedingungen verbessert.
Zukünftige kalte Argongasläufe sind ebenso geplant wie die Weiterentwicklung des Detektors. Die Ergebnisse für flüssiges Argon sind für 2014 geplant.
Über die Ein-Tonnen-Version hinaus kann die Detektorgröße erhöht werden, ohne die Technologie grundlegend zu ändern. Ein 10-Tonnen-Flüssig-Argon-Detektor ist eine denkbare Expansionsmöglichkeit für ArDM. Aktuelle Experimente zur Detektion von Dunkler Materie auf einer Massenskala von 1 kg bis 100 kg mit negativen Ergebnissen zeigen die Notwendigkeit von Experimenten im Tonnenmaßstab.
Ergebnisse und zukünftige Richtungen
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Trotz der Untersuchung von "dunkler" Materie scheint die Zukunft für die Entwicklung von Detektoren für dunkle Materie vielversprechend. Das "Dark Side Program" ist ein Konsortium, das neue Experimente durchgeführt und weiterentwickelt hat, die auf kondensiertem atmosphärischem Argon (LAr) anstelle von Xenonflüssigkeit basieren. Eine neuere Dark-Side-Vorrichtung, die Dark-Side-50 (DS-50), verwendet ein Verfahren, das als "Zwei-Phasen-Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammern (LAr-TPCs)" bekannt ist und die dreidimensionale Bestimmung von Kollisionsereignispositionen ermöglicht, die durch erzeugt werden die Elektrolumneszenz, die durch Argonkollisionen mit Partikeln der dunklen Materie erzeugt wird. Das Dark Side-Programm veröffentlichte seine ersten Ergebnisse zu seinen Ergebnissen im Jahr 2015 und ist bislang das empfindlichste Ergebnis für die Erkennung von dunkler Materie auf Argonbasis. LAr-basierte Methoden für zukünftige Geräte stellen eine Alternative zu Xenon-basierten Detektoren dar und könnten in naher Zukunft möglicherweise zu neuen, empfindlicheren Mehrtonnen-Detektoren führen.